Alfa Tipi Bir Stirling Motorun Çalışması.
Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin yeniden edilmesi ile çalışır.
Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle alakalı olarak) ile kaydedilmiş davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içerisinde olduğundan, basıncı yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda tazyik düşer ve bunun kararında piston dönüş strokunda gazı yeniden sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üstünde güç oluşturur. Çalışma gazı sıcak ve soğuk sıcaklık eşanjörleri arasında periyodik olarak akar.Çalışma gazı piston silindirleri içerisinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egsoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu motorlardan farklı olarak valflere gereksinim yoktur.
Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çabalama gazı hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine bağlı olması vasıtası ile silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çabalama gazı hareket eder.
Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu sıcaklık aktarım edilir. Bazı tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling çevriminin verimine katkı sağlar. Burada rejeneratör olarak belirtilen yapı aslında içinden bir miktar hava geçmesine mani olmayacak bir katı yapıdır. Sözgelimi çelik bilyeler bu iş için kullanılabilir. Hava bir soğuk oda ile sıcak oda arasında hareket ederken bu rejeneratör içinden geçer. Sıcak hava soğuk parçaya gelmeden ilkin bir kısım sıcaklık gücünü bu bilyeler üstünde bırakır. Soğuk hava da sıcak tarafa geçerken daha ilkin bırakılan sıcaklık enerjisiyle bir miktar ısınır. Yani hava sıcak kısma girmeden ilkin ön-ısıtma, soğuk kısma girmeden ilkin de ön-soğutma işleminden geçerek motorun verimini artırır.
İdeal Stirling motor çevrimi aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için Carnot sıcaklık makinesi olarak aynı kuramsal verime sahiptir. Termodinamik verimi buğu makinelerinden yüksektir. (veya kolay durumdaki bazı içten yanmalı ve dizel motorlardan)
Herhangi bir sıcaklık deposu Stirling motoruna güç sağlayabilir. Dıştan yanmalı motor, ifadesindeki yanma genellikle yanlış anlaşılır.Isı kaynağı, yanma kararı oluşabilir fakat, güneş enerjisi, jeotermal enerji ya da nükleer enerji de olabilir. Aynı şekilde sıcaklık farkı yaratmak için kullanılan soğuk kaynak, etraf sıcaklığının altındaki farklı maddeler olabilir. Soğuk su ya da soğutucu bir akışkan kullanması ile soğutma sağlanabilir. Fakat soğuk kaynaktan elde edilecek sıcaklık farkının düşük olması daha büyük kütleler ile çalışılmasını gerektireceğinden, pompalamada oluşacak güç kaybı çevrimin verimini düşürecektir.Yanma ürünleri motorun iç parçaları ile temas etmez. Stirling motorunda yağlama hasım ömrü içten yanmalı motorlara göre daha uzundur.
Stirling motorunun uygulamada birtakım üstünlük ve dezavantajları vardır.
Avantajları
- Isı dış kaynaklıdır ve yakıt hava karışımının yanması daha doğru olarak denetim edilebilir.
- Isı sağlamak için sürekli bir yanma prosesi kullanılır, bu yüzden yanmamış yakıt payı büyük oranda düşürülür.
- Stirling motorları, kendilerine muadil olan öteki motor tiplerinden daha azca yağlama ve bakım gerektirir.
- Motor, öteki muadil motorlara göre daha kolay yapıdadır. Valf ihtiyacı duymaz. Yakıt ve iç sistemleri daha basittir.
- Oldukça düşük basınçta işletilebilir, böylelikle tipik buğu makinelerine göre daha emniyetlidir.
- Düşük işletme basıncı, daha hafifçe ve dayanıklı olmayan silindir kullanımına imkân verir.
- Denizaltıların kullanması için, hava olmadan ve daha sessiz çalışabilme imkânı verir.
- Uçak motoru olarak uygundurlar. Sessiz, daha azca çevreye zararlı, verimli, güvenilir (basit parçalar ve yanma sistemi), daha azca vibrasyon üreten ve patlama riski daha azca yakıt kullanılabilmesi avantajlarına sahiptirler.
Dezavantajları
- Stirling motorları girişte ve çıkışta çabalama akışkanı içeren sıcaklık eşanjörü gerektirir. Bu yakıt ekonomisinin sağlanması ve bereketlilik optimizasyonu düşünülerek dizayn yapıldığında motorun maliyetini arttırır.
- Stirling motoru, bilhassa de ufak sıcaklık farkları ile çalışanlar, sıcaklık eşanjörü sebebi ile oluşturdukları gücün mühim bir kısmını kaybeder.
- Termal verimi maksimize etmek için soğutucu sıcaklığı olası olmasıyla birlikte düşük tutulur, bu yüzden harcanan ısının kaybedilmesi zorluk yaratır. Bu neden Stirling motorunun otomotiv sektöründe yaygınlaşamamasının faktörlerinden biridir.(Gerekli sıcaklık ısıtma sisteminin yeteri kadar motora toplu ve ufak seviyede olamayışı.)
- Düz Stirling motoru ivedi olarak devreye giremez; sıcaklığın iyice yükselmesi gereklidir. Bu bütün dıştan yanmalı motorlar için geçerlidir ama öteki dıştan yanmalı motorların ısınma tarihi Stirling motorununkinden kısadır.
- Güç çıkışı, sabittir ve bir seviyeden diğerine geçmesi ivedi olarak olası olmaz.
- Hidrojenin düşük moleküler ağırlığı, onu Stirling motoru için en iyi çabalama gazı yapar. Fakat bu ufak moleküller, motor içerisinde muhafaza zorluğu ve ilave destek sistemler gerektirir. Bu sistemler gaz kabı gibi kolay ya da gaz jeneratörü gibi daha komplike sistemler olabilir. Her durumda ilave ağırlık, maliyet artışı ve istenmeyen problemler oluşturacaktır.